基于STC15 单片机的LED 线阵显示系统

谷栎娜，张通，张萌

（石家庄工程职业学院，河北石家庄，050061）

0 引言

近年来，LED 显示屏被广泛地应用于工业、交通、商业广告、娱乐等领域。各领域的LED 显示屏多是平板式，此种显示屏是采用逐行扫描方式进行显示，需要控制大量的LED 灯轮流点亮，控制系统和电路结构都相对比较复杂。

LED 线阵作为一种新型的显示材料，是构成LED 旋转显示屏的核心部件。LED 旋转显示屏可实现LED 灯的位置和亮灭的同步控制，从而实现图文显示的一种新型显示器，具有操作简单、功耗低、成本低、显示效果好、显示范围可调、显示范围大等特点，能给观者带来更好的视觉体验，因此得到广泛而迅速的发展。LED 旋转显示屏是采用机械动态扫描方式，利用控制器控制1 列快速移动的LED 灯来实现图文显示的。

本文设计的LED 线阵显示系统包括理论设计和实际制作两部分，涉及模-数混合电路、单片机、光学红外器件等的应用，具有实际意义和应用背景。

1 系统总体方案

■1.1 系统设计原理

本文设计的LED 线阵显示系统，主要包括两部分：LED 线阵显示装置和图文录入设备。系统总体设计框图如图1 所示。

图1 系统总体设计框图

图文录入设备采用触摸按键的方式将图形或文字录入到图文录入单片机，并通过显示屏进行显示和回放。LED线阵显示装置将位置传感器采集到的数字信号送给LED 显示单片机进行处理，进而判断LED 线阵显示装置转过的位置。LED 显示单片机根据转过的位置以及电机的转速，在LED 线阵显示装置显示相应的图形或文字。该系统采用串行通信的方式将图文录入主机与LED 显示从机进行通信，提高读取和发送数据的速度。电机的作用就是带动LED 线阵显示装置进行旋转，电机的转速必须要均匀，这样才能保证图像在水平方向不会被局部伸展或者压缩。

■1.2 方案论证

1.2.1 电机选择

综合考虑系统要求，为节省成本，简单系统电路，LED 线阵显示装置采用普通直流电机作为动力电机来带动整个装置的旋转。直流电机起动和调速性能好，调速范围广，易于平滑调节，易于控制，可靠性高，受电磁干扰影响小，调速时的能量损耗较小，通过简单的改装，可以给系统供电。

1.2.2 控制芯片选择

控制器主要用来接收传感器信号，控制LED 显示装置的显示，数据的运算，以及控制器与控制器之间的串行通信。

根据系统性能要求，图文录入设备需选用运行速度快、功能强大的STM32 单片机作为主机。STM32F103C8T6，单片机外设丰富，多达7 个定时器，多达9 个通信接口，多达80 个快速I/O 口，2 个12 位A/D 转换器等功能强大，低功耗。LED 线阵显示装置选用STC15 单片机作为从机。STC15F2K61S2，两个独立串口，高速10 位A/D 转换器，不需要外部晶振和外部复位电路，高速，高可靠，超低功耗，超强抗干扰，超强抗静，价格便宜。

1.2.3 位置传感器选择

综合系统结构以及其他相关要求，LED 线阵显示装置采用红外对管传感器实现显示范围的控制。红外收发对管是一种利用红外线的开关管，接受管在接受和不接受红外线时产生明显的高低电平的变化，高低电平的变化输入单片机就可使之识别，从而实现智能控制。同时红外对管抗干扰能力强，不会影响电机的旋转。

1.2.4 图文采集方案选择

综合考虑设计难度和操作难度，选用采用迪文串口屏，使用自带软件绘制一个16×16 的点阵图像，利用触摸按键将图文卡的数据采集并且直接在迪文串口屏上回显。

2 理论分析与计算

■2.1 LED 线阵显示运动参数分析与计算

（1）LED 图文显示区域

本系统LED 线阵显示屏在电机的带动下，依靠旋转平台进行旋转，且要在120°弧面区域内显示点阵的图形或文字，所以显示区域需要确定。

显示区域是利用红外对管位置传感器实现位置限制的，且在120°弧面区域显示图文的总延时时间也可以确定。

设电机周期为T（s），则延长时间为：t（120°）=T/3。

（2）LED 图文显示位置

本系统不仅要求在120°弧面区域内显示，而且要求显示不少于3 个16×16 点阵的图形或文字，所以图文在显示区域内的位置也需要确定。显示位置则需要通过以下理论推导得出。

设LED 显示屏上各二极管之间的距离为l（mm），显示屏距电机轴的距离为R（mm）。

电机转一周时，点阵为：

则每列像素点的延时时间为：

则120°弧面区域内的点阵为：

如果显示1 个16×16 点阵的图文，延时时间为：

如果固定显示2 个16×16 点阵的图文，且两张图文间隔4 个点阵，则延时时间为：

如果同时显示3 个16×16 点阵的图文，且各张图文间隔4 个点阵，则延时时间为：

这样就能确定图文在120°弧面区域内的显示位置了。

■2.2 LED 线阵显示装置的重心位置计算

重心调节是最困难的一个技术环节。旋转的重心直接关系到系统的稳定运行以及安全性问题。旋转的重心如果不在转轴上的话，在高速的旋转中，会产生剧烈的抖动，在巨大的离心力下，会使整个系统分解，并产生安全隐患。因此，重心调节是必须解决的问题。

根据杠杆原理，当支点两端的物体的质量与力矩乘积相等时，杠杆就处于平衡。因此采用了长条方型的电路板结构。设横梁一端为LED 线阵显示板，其重量为M1，到重心的距离为L1；横梁的总长为L；横梁另一端质量为M2，则：

这样就能确定LED 线阵显示装置的重心位置。

3 系统硬件设计

■3.1 LED 线阵显示装置硬件电路

LED 线阵显示装置是由STC15 单片机作为从机的主控芯 片，通 过P0、P2 口 对4 个74HC573 锁存器进行控制，再由锁存器将将数据给16 个红绿双色LED，从而控制LED 的亮灭以及变色。红绿双色LED 显示模块原理图，如图2 所示。

图2 红绿双色LED 显示模块原理图

■3.2 图文录入模块

图文显示设备是由STM32 单片机和串口屏组成，如图3 所示。

图3 图文录入模块原理图

4 系统软件设计

■4.1 LED 显示装置流程图

LED 显示装置流程图，如图4所示。

图4 LED 显示装置流程图

开机进行自检，并检测是否接收到串口通信数据。如有数据接收，并判断哪个数据。若接收数据1，启动直流电机，同时输入指定任意两行，LED 在120 度弧面区域内显示该两行的水平线；若接收数据2，启动直流电机，LED 在120度弧面区域内显示最上端和最下端水平线向中间做上下往复运动。若接收数据3 按下，启动直流电机，LED 在120 度弧面区域内固定显示2 个独立全亮的16×16 点阵图形，间隔为4 个点阵点距离。若接收数据4，启动直流电机，LED在120 度弧面区域内显示图形在水平方向上进行宽窄变换。

■4.2 图文录入流程图

根据任务要求，LED 线阵显示装置需要实现图文录入功能。图文录入流程图如图5 所示，依次完成三张图文录入，每次录入完一张图文，通过串口把数据传送出去并进行保存。待三张图文全部录入完成，按下回放键，依次播放。

图5 图文录入流程图

■4.3 双机串行通信流程图

通过通信协议进行发送接收，图文录入器主机先送AAH 给LED 线阵显示从机，当从机接收到AAH 后，向主机回答BBH。主机收到BBH 后就把数码表中的数据送给从机，并发送检验和。当从机接收到数据并计算接收到数据的检验和，与主机发送来的检验和进行比较，若检验和相同则发送00H 给从机；否则发送FFH 给从机，重新接收。主机收到正确数据后送到LED 线阵显示装置进行显示。发送端和接收端程序流程图分别如图6 和图7 所示。

图6 发送端程序流程图

图7 接收端程序流程图

5 测试方案与测试结果

■5.1 测试方案

系统测试需要分别对硬件、软件以及整个系统进行测试。硬件测试包括对元件焊接测试、整体机构测试及上电功能测试为主。软件测试主要对写好的程序进行仿真运行。软硬件的测试做好以后，进行整机调试。整机调试非常关键，要进行不断调试，让软件和硬件完美结合，这样才能达到预期的效果。

■5.2 测试结果

LED 线阵显示系统能够较好的完成基本功能和发挥功能，且保持了比较好的稳定性。

从测试结果可知，系统电路功能实现基本符合设计要求，能顺利实现基础部分的功能，并完成了发挥部分的功能。由于机械结构设计还不是很理想，所以运行时，导致整个装置略有晃动，但还是完成了预期的效果。

6 总结

本系统以单排LED 显示图文信息为研究对象，通过对单片机、16×16 点阵字模及电机的结合运用，在此基础上提出了硬件和软件的设计方案。

LED 线阵显示系统已制作完成，是以STC15 单片机为主控器件，利用特定的算法程序完成对LED 线阵的各项控制任务，同时具有图文显示和回放功能。该系统在实际运行中可能还会出现许多未曾考虑到的问题，有待于进一步完善。下一步的具体工作主要有：优化软件流程，加快执行速度，使图文信息更丰富、更流畅；优化硬件结构，使系统整个机械装置更加稳固，最大限度降低制作成本、运行阻力。